量子力学 その２ 二重スリット実験

量子力学といえば、「二重スリット実験」。あまりにも有名な、それでいて、いつ聞いても常に新鮮な実験結果・・・（笑）。

とはいうものの、最初に実験されたのは２００年以上も昔の、独立したばかりの頃のアメリカだった。もっとも、その頃は、「光は波でした」という実験だった。それが２０世紀に入ると微粒子の世界になり、「電子は波でした」という実験になる。それにしたって、１００年近く前の話。よく、「最先端の科学では・・・」と前置きしてから語られる量子力学だけど、実はそんなに歴史がある。

人間にとって、「光」は大昔からナジミ深いものだった。天地創造のときも、神は「光あれ」という言葉から始めた。それなのに、「光って、何なんですか？」と聞かれても、昔は答えられる人が誰もいなかった。

スポットライトの光は、まっすぐ進みながら、だんだん広がってボヤけていく。いくつもの光があると、重なり合って明るくなる。たくさんの光が重なると、ものすごく明るくなる。ライブの舞台がそうだ。では、狭いスキマを通った光はどうなるか？

 

ほんの少し開いたフスマから差し込んだ光は、部屋の中に浸み入るように広がっていく。これぞまさに、日本家屋の美。谷崎潤一郎 「陰影礼賛」の世界・・・。 

では、スキマが２つあったらどうなるか？　それが、二重スリット実験。日本語なら「スキマ」でいいと思うんだけど、なぜかそう言う人はいない。必ず「スリット」になっている。「スリット」と聞いて、チャイナドレスを連想する人も多いだろう。 

それはともかく、２本のスリットから通った光を、スクリーンに映すとどうなるか？　

２本の光は、それぞれに広がっていく。広がるにつれて、重なり合っていく。光が重なり合うと、もっと明るくなる。「・・・ということは、真ん中になるほど明るくて、端にいくほどボヤけた暗い光になっていくんだろうな？」というのが、自然な予想として成り立つ。

でも、結果を見ると、そうなりませんでした。真ん中が明るいのは確かなんだけど、そこからだんだん暗く広がっている・・・というようなものではなかった。なんと、壁に映った光は、シマ模様になってました・・・というわけ。

 

 この結果から何が分かったかというと、「光は、波である」ということが分かった。なんで、これで「波」だってことが分かるのかというと、物理学者は、みんな高校で物理を一通りやっている。だから、「波動の干渉」ってのも勉強して、よく知っている。そんな彼らにとっては、考えるまでもなく明らかだった。「あ、これは波動の干渉ジマだ」。

池に石を投げ込むと、ポチャッと音がして、丸い輪になって波紋が広がる。では、石を２つ投げ込むと、どうなるか。２つの波紋が広がるにつれて、重なり合い、ぶつかり合い、打ち消しあって、フクザツな模様を描きながら広がっていく。そういうのが、「波動の干渉」。

なんで「シマ模様」になるのかというと、波には、山と谷がある。２つの波が重なり合ったとき、山と山が重なり合えば、もっと高い山になる。谷と谷が重なり合えば、もっと深い谷になる。山と谷が重なり合えば、打ち消しあって消える。だから、カベに当たったとき、濃いところと薄いところがハッキリするというわけ。実験の動画を見るのが早いけど、お風呂や水槽でも自分で実験できるくらい簡単。

早い話が、２つのスリットを通った光が、２つの波になって広がり、干渉しあって複雑に重なり合った波になり、最後はカベに当たって、シマ模様になりました・・・ということ。波じゃなかったら、こんなシマ模様にはならない。だから、「光は波である」というのが、これでハッキリした。

時代は進んで、２０世紀。原子とか、電子の研究が盛んになっていた。科学者たちは、光ではなく電子で、この二重スリット実験をやるようになった。光のときは懐中電灯でもよかったけど、電子ともなると電子銃が必要だ。

電子というのは、原子核のまわりを回っている小さな粒。科学者は、二重スリットに向かって、電子銃を撃ってみた。電子銃っていうくらいだから、弾丸の代わりに電子が飛ぶ。２０世紀の後半ともなると、電子を１個ずつ飛ばせるほど技術が進歩した。その電子の弾道はいかに？

というわけだったが、結果としては、上の「光」のときと同じようなシマ模様ができた。波じゃなかったら、こうはならない。「光は波である」というのと同じように、「電子は波である」というのが証明された・・・。

といっても、これはちょっと変だ。たくさんの電子が、集まって波になる・・・というのなら分かる。それなら、「そういうもんなんだな」で済む話。それが、「１個の電子でも、波となって動く」というのだから、ややこしい。

たとえてみれば、野球のピッチャーが投げた球が、波となって押し寄せていく。バッターが打つときには、なぜかボールに戻っていた。また投げた次のボールが、波になって押し寄せていった。キャッチャーミットにおさまるときは、なぜかボールに戻っていた・・・という感じ。日常ではあり得ないんだけど、電子のような小さな粒の世界では、そういうことになるらしい。

一滴の水が、波となって海岸に打ち寄せ、また一滴の水に戻る。孫悟空どころではない、信じがたいほどの分身の術。まさに、事実は小説より奇なり。

１粒の電子は、電子銃から発射されるやいなや、波となって二重スリットに押し寄せる。２本のスリットを通り抜けて２つに分かれた波は、おたがいに波動の干渉をしながらスクリーンへと向かう。でも、スクリーンに当たったときは、いつのまにか１粒の電子に戻っていた。そんな電子をたくさん撃ったら、きれいなシマ模様になった。最初の１粒、２粒くらいじゃ分からないんだけど、多く撃つほど、ますますハッキリとシマ模様になっていった。電子が波じゃなかったら、こうはならない。

 

「こんなのおかしい」と言い出す人は当然いたんだけど、誰がどう実験しても結果はこうなるから、「電子ってのは、こういうもんなんだな」と思うしかなくなった。ここまででも十分に不思議で深遠なナゾに満ちている。でも、もっと信じがたいのは、その先だった。

（つづく）

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